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Tabakrauchfilterelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Die
Erfindung betrifft ein Tabakrauchfilterelement für diÇ Verwendung mit einer äußeren
Umhüllung, das aus einem im allgemeinen zylindrischen, für Rauch durchlässigen Filterkörper
mit einer äußeren Wand und zwei Stirnwänden besteht, sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Tabakrauchfilterelements.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein aus einem porösen Material
hergestelltes Tabakrauchfilter, das Bezirke mit ungleichen Porositäten innerhalb
des Filters aufweist, sodaß der Rauch auf verschiedenen Wegen mit verschiedenen
Geschwindigkeiten durch das Filter strömt.
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Eine höchst bedeutsame Aufgabe eines Tabakrauchfiiters besteht darin,
die Abgabe von "Teer" zu reduzieren, bei dem es sich eigentlich um die Gesamtmenge
an teilchenförmigem Material (nachfolgend abgekürzt mit TPM) in dem Tabakrauch handelt.
Eine andere Aufgabe eines Tabakrauchfilters besteht darin, beispielsweise durch
Entfernung bestimmter Verbindungen aus der Gasphase des Tabakrauchs,die Zusammensetzung
des Rauhs in einer gewunschten Weise zu verändern.
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Es wurdrnbereits viele Arten min Zigarettenfiltern vorgeschlagen,
welche diese Aufgaben lösen sollen. Es wurden bereits Papier, Baumwoll- und Celluloseacetatfasern
und kompliziertere Gebilde mit getrennten Abschnitten aus einer Celluloseacetatfaser
mit Aktivkohle oder Abschnitten aus Papier und einer Celluloseacetatfaser verwendet.
In den meisten derartigen Zigarettenfiltern weist das Filterelement praktisch den
gleichen Durchmesser wie der Tabakteil der Zigarette auf und variiert hinsichtlich
seiner Länge zwischen etwa 15 und etwa 25 mn. Die Zusammensetzung und der Aufbau
dieser Filter sind über den gesamten
Querschnitt hinweg praktisch
gleichförmig. Der Tabakrauch durchquert das Filter von einem Ende zum anderen in
einer Weise, die nachfolgend als "axiale Durchstrumung" bezeichnet wird.
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Der Druckabfall entlang dieses Filters hängt von dem das Filter aufbauenden
Material, der Packungsdichte, der Länge und dem Durchmesser ab. Da der Durchmesser
für alle Zigarettenfilter nahezu der gleiche ist, stellt er keine wichtige Variable
dar, wenn man die Filtrationswirkung beeinflussen will. Die Gewohnheiten und der
Geschmack von Zigarettenrauchern machen es erforderlich, daß der Druckabfall innerhalb
einer Zigärette bei einer Standard-Strdmungsgeschwindigkeit von 17,5 ml pro Sekunde
einen Wert von etwa 7,62 cm
Wasser nicht übersteigt. Bei einem gegebenen Material und einem gegebenen Aufbau
eines Zigarettenfilters kann die Fähigkeit des Filters, TPM zu entfernen, durch
Anderung beispielsweise der Packungsdichte oder der Feinheit der Faser verändert
werden. Der Druckabfall innerhalb des Filters ist jedoch umso höher, je höher die
TPM-Entfernung ist.
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Es ist bekannt, daß ein Filter mit einer ausreichend großen Oberfläche
bei einem akzeptablen Druckabfall praktisch das gesamte TPM entfernen kann. Ein
Beispiel für ein solches Filter ist das Cambridge-Filter (eine unter der Handelsbezeichnung
Cambridge-Filter bekannte Glasfasermatte) dieses Filter mit einem axialen Durchströmungsaufbau
ist jedoch nicht praktikabel, weil die erforderliche Oberflächengröße unerträglich
hoch ist.
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D.h., die erforderliche Oberflächengröße muß größer sein als der Querschnitt
einer Zigarette.
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Ein Zigarettenfilter, das auf den ersten blick einer Art des nachfolgend
beschriebenen erfindungsgemäßen Zigarettenfilters ähnelt, ist in der Fig. 10 der
UN-Patentschrift 3 270 750 dargestellt. Eine genauere Untersuchung dieser Patentschrift
zeigt jedoch, daß das darin beschriebene Filter nicht die Funktion des erfindungsgemäßen
Filters erfüllt und erfüllen soll. Insbesondere enthalt die aus einer Keramikfaser
oder dergl. bestehende Öffnungskomponente auf der die öffnung begrenzenden Wand
einen Klebstoff, so daß beim Schließen des geöffneten Filters durch Zusammendrücken
mit dem Finger die öffnung durch den Klebstoff in dem geschlossenen Zustand gehalten
wird, um die Filtrationswirkung von anfänglich verhältnismäßig gering bis zu einer
stärkeren Filtrationswirkung zu erhöhen. Dieses Ergebnis wird einfach dadurch erzielt,
daß man die Öffnung oder den Rauch-durchgang schließt.
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Die durchschnittliche Filtrationswirksamkeit von in den USA während
des Jahres 1966 verkauften Zigarettenfiltern betrug etwa 34 % TPM-Entfernung (vgl.
J. E. Kiefer, G. P. Touey in "Tobacco and ToLacco Smokc", Seite 565, Kapitel X,
herausgegeben von E. L. Wynder und I. P. Hoffman, Academic Press, 1967).
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Die Filtrationswirksamkeit eines durchsch.littlichen Zigarettenfilters
im Jahre 1960 war sogar noch geringer als die durchschnittliche Filtrationswirksamkeit
im Jahre 1966. Der hier verwendete Ausdruck "verhältnismäßig schwache Filtrationswirkung"
bedeutet daher eine Filtrationswirkung von nicht mehr als etwa 34 X TPM-Entfernung.
Über diesen Punkt finden sich in der oben genannten US-Patentschrift keine Angaben.
Außerdem hatten die in den USA im Jahre 1966 verkauften durchschnittlichen Zigarettenfilter
eine durchschnittliche Filteroberflächengröße von etwa 300 bis 325 cm2 zur Erzielung
der durchschnittlichen TPtI-Entfernung von 34 %.
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flir die Herstellung von Zigarettenfiltern wurden große Bündel von
gekräuselten Textilfasern, im Handel unter der Bezeichnung Stränge bekannt, in großem
Umfange verwendet. Die überwiegende Mehrheit der derzeit in den USA hergestellten
Zigarettenfilter werden aus solchen Strängen hergestellt. Zu den Eigenschaften der
Textilstränge, die sie für diese Verwendung geeignet machen, gehören folgende: (1)
Sie können kontinuierlich mit sehr hohen Produktionsgeschwindigkeiten zu Filtern
verarbeitet werden; (2) die aus solchen Strängen hergestellten Filter fangen ziemlich
wirksam Nikotin und Teer weg und (3) durch geeignete Auswahl der Fasern und durch
Fasermodifikationen ist es möglich, bestittinte Komponenten selektiv aus dem Rauch
zu entfernen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, neue Tabakrauchfilterelemente
anzugeben, die zur Herstellung von Zigarettenfiltern verwendet werden können und
bei einem Druckabfall von 6,35 bis 7,62 cm Wasser eiiie TPH-Entfernung von mindestens
etwa 45 X liefern.
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Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe durch Zigarettenfilter gelöst
werden kann, die einen solchen Aufbau haben, daß der Rauch das Filter entlang zweier
oder mehrerer, im allgemeinen paralleler Wege mit ungleichen Durchlässigkeiten durchquert.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Tabakrauchfilterelement für die
Verwendung mit einer äußeren Umhüllung, das aus einem im allgebieten zylindrischen,
für Rauch durchlässigen Filterkörper mit einer äußeren Wand und zwei Stirnwänden
besteht und dadurch gekennzeichnet
ist, daß der Filterkörper mindestens
zwei, im allgemeinen parallele Rauchdurchgangszonen aufweist, von denen die eine
eine höhere Rauchdurchlässigkeit aufweist als die andere, wobei die Zone mit der
geringeren Rauchdurchlässigkeit etwa 80 bis etwa 98 Z des Volumens des Filterkörpers
ausmacht, und daß der Filterkörper eine Gesamtfiltrationsoberfläche von etwa 2 450
cm oder mehr aufweist und bei einem anfänglichen Druckabfall von etwa 6,35 bis etwa
7,62 cm
Wasser, gemessen bei einer volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit von 17,5 ml/Sek.,
etwa 45 % oder mehr der Gesamtmenge an teilchenförmigem Material aus dem Rauch entfernt.
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Die Zone mit der hohen Durchlässigkeit kann aus mindestens einer durch
den Filterkörper begrenzten Rille bestehen, die sich von der Oberfläche der äußeren
Seitenwand in den Körper hinein und über mindestens 1/3 der Länge, jedoch über weniger
als die gesamte länge des Filterkörpers hinweg erstreckt. Die Zone mit der höheren
Durchlässigkeit kann aus einem Material mit einer höheren Porosität als dem Material
des Filterkö.rpers bestehen, wobei sich das Material mit der höheren PorosiL entlang
der Länge und parallel zur Längsachse des Filterkörpers erstreckt. Die Zone mit
der höheten Durchlässigkeit kann mindestens eine längliche (langgestreckte) Rammer
aufweisen, die durch den Filterkörper begrenzt ist und die sich von einer Stirnwand
in den Filterkörper hinein erstreckt über mindestens ein Drittel, jedoch ueber weniger
als die volle Länge des Filterkörpers hinweg.
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Das erfindungsgemäße Tabakrauchfilterelement, insbesondem das daraus
herstellbare Zigarettenfilter, ist durch einen solchen Aufbau charakterisiert, der
gewährleistet, daß der Rauch das Filter entlang zweier oder mehrerer, im allgemeinen
paralleler
Wege durchquert. Die parallelen Wege (Durchgänge) weisen
ungleiche Durchlässigkeiten auf, so daß die Geschwindigkeit des Rauches entlang
des Durchgangs mit der geringeren Durchlässigkeit geringer ist als diejenige in
einem üblichen Zigarettenfilter bei dem gleichen Druckabfall. Umgekehrt ist die
Geschwinderzeit des Rauches durch den Durchgang mit der höheren Durchlässigkeit
höher als diejenige in einem üblichen Filter bei gleichem Druckabfall.
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Der hier verwendete Ausdruck "Durchlässigkeii-" (Permeabilität) ist
der Kehrwert des spezifischen WidesLandes entsprechend der Definition von J. Peck
in "Aerosol Sclence", Kapitel IX, "Theory of Aerosol Filtration", Seiten 252 bis
253, Academic Press, N.Y. (1966). Die Durchlässigkeit des Abschnitts mit der geringeren
Durchlässigkeit sollte so sein, aaß mindestens ein Drittel des Rauches den Abschnitt
mit einer linearen Geschwindigkeit durchquert, die um mindestens 20 Z unterhalb
der in dem Zigarettenfilter auftretenden Durchschnittsgeschwindigkeit liegt. Dia
durchschnittliche Oberflächengröße der erfindungsgemäßen Filter 2 sollte etwa 450
cm oder mehr betragen, um bei einem Druckabfall' von etwa 6,35 bis etwa 7,62 cm
Wasser, gemessen auf übliche Weise bei einer volumetrischen Strömung geschwindigkeit
von 17,5 ml/Sek., eine TPM-Entfernung von etwa 45 X oder mehr zu erzielen.
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Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Filterelemente bzw.
Filter sind dadurch gekennzeichnet, daß man ein Tabakrauchfilterelement mit einem
porösen Filterkörper herstellt, der mit einer äußeren Seitenwand und einander gegenüberliegenden
Stirnwänden versehen ist, indem man in dem Filterkörper mindestens eine längliche
Kammer erzeugt, die entlang ihrer Länge durch den porösen Filterkörper geschlossen
wird und sich von der
Oberfläche einer Stirnwand in den Filterkörper
hinein über mindestens 1/3 der Länge desselben hinweg erstreckt und innerhalb des
Filterkörpers kurz vor der gegenüberliegenden Stirnwand endet.
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Die längliche Kammer kann durch ein langgestrecktes Element erzeugt
werden, das eine Stirnwand des porösen Filterkörpers durchbohrt und sich eine vorher
festgelegte Länge in den porösen Filterkörper hinein erstreckt, jedoch kurz vor
der gegendberliegenden Stirnwand und der Seitenwand halt-macht. Eine zweite Methode
zur Herstellung der Filter besteht darin, daß man ein abakrauchfilterelement mit
einem porösen Filterkörper, der aus einer äußeren Seitenwand und einander Oegenüberliegend
angeordneten Stirnwänden besteht, in der Weise herstellt, daß man in dem Filterkörper
eine Vertiefung (Einkerbung) erzeugt, die in der äußeren Seitenwand gebildet wird
und sich über mindestens 1/3 der Länge des Filterkörpers, jedoch über weniger als
die volle Lange des Filterkörpers hinweg, erstreckt. Die Vertiefungen können mittels
einer Eindrückeinrichtung (Einkerbungseinrichtung) erzeugt werden, die in die Seitenwand
des Filterkörpers hinein gedrückt wird zur Bildung der Vertiefungen. In dem Filterkörper
können auch mehr als eine Vertiefung erzeugt werden, wobei die Vertiefungen (Einkerbungen)
nebeneinander oder spiegelbildlich zueinander in dem Filterkörper angeordnet sind.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Filterelemente
bzw. Filter besteht darein, daß man zuerst einen Filterstab, der eine entlang seiner
Oberfläche parallel zur Ldngsachse des Stabes angebrachtekontinuierliche Vertiefung
aufweist, oder einen kontinuierlichen Stab herstellt, der ein axiales Loch oder
anale Löcher aufweist, die sich durch sein Zentrum erstrecken. Diese Stäbe werden
in Abschnitte zersehnitten und dann mit einem zweiten Filterstöpsel, der vorher
nicht mit Vertie
fungen oder axialen Löchern versehen worden ist,
zu einei Verbundfilter zusammengefügt, der ein Segment (gewöhnlich im Anschluß an
den Tabak in einer Zigarette) mit einer Vertiefung oder einem axialen Loch und ein
nicht-modifiziertes Segment auf-* weist. Wenn die beiden Segmente so anelnander
gefügt werden, daß ein Austreten des Rauches verhindert wird, wirken sie auf die
gleiche Weise wie ein Filter, das aus einem einzigen Segment aus einem Filtermaterial
besteht.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Filterelementes im Aufriss, die eine einzige Rille innerhalb des Körpers des Filterelementes
aufweist; Fig. 2 einen Tabakrauchfilterstab im Aufriss, aus dem durch Zerschneiden
vier Filter hergestellt werden können, und in der die Einrichtungen erläutert sind,
die zur Herstellung der Vertiefungen in dem Filterstab verwendet werden können;
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Tabakrauchfilterelement im Aufriss, das vier in gleichem
Abstand voneinander angeordnete Rillen aufweist, die sich von der Oberfläche der
äußeren Seitenwand in den Körper des Filters hinein erstrecken; Fig. 4 ein erfindungsgemäßes
Tabakrauchfilterelement ii Aufriss, das zwei Rillen aufweist, die von einer Stirnwand
des Filterkörpers ausgehen und gekrümmt sind oder gegeneinander konvergieren, so
daß sie sieh. an einem gemeinsamen Punkte innerhalb des Filterköpers treffen; Fig.
5 < weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tabakrauchfilterelements
im Aufriss, das eine gekrümmte Rille auf weist, die sich von einer Stirnwand bis
etwa zum Mittelpunkt des
Filterkörpers erstreckt; Fig. 6 eine andere
Ausführungsform eines erfindnngsgeaäßen Tabakrauchfilterelements im Aufriss, das
eine Rille aufweist, die riotrr entlang der Länge des Filterkörpers erstreckt und
mit einem groben porösen Material gefüllt ist; Fig. 7 eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Filterelements im Aufriss, das ein axiales Loch aufweist,
das sich teil.
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weise durch den Filterkörper erstreckt; Fig. 8 einen Tabakrauchfilter-stab
in Aufriss, aus dem durch Zerschneiden zwei Filter hergestellt werden können, und
welche Einrichtungen erläutert, die zur-Erzeugung eines axialen Loches in jedem
Filter verwendet werden können; Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Tabakrauchfilterelement
im Aufriss, das vier in gleichem Abstand voneinander angeordnete axiale Löcher aufweist,
die sich von einer Stirnwand in den Filterkörper hinein erstrecken; Fig. 10 einen
Tabakrauchfilterstab im Aufriss, aus dem durch Zerschneiden zwei Filter hergestellt
werden können, und welche Einrichtungen erläutert, die zur Erzeugung von axialen
Löchern durch die Stirnwände jedes Filters verwendet werden können; Fig, 11 eine
weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelementes im Aufriss, das ein
Paar schräger Locher aufweist, dte von der Stirnwand ausgehen und aufeinander zu
konvergieren; und Fig. 12 einen Tabakrauchfilterstab im Aufriss, aus dem durch Zerschneiden
vier Filter hergestellt werden können, und in der Einrichtungen erläutert sind,
die zur Erzeugung von schrägen Löchern in dem Filterkörper verwendet werden können.
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Die erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Zigaretten filter
beschrieben, die aus einem Textilstrang hergestellt sind, Wobei der Textilstrang
aus thermoplastischen Fasern, wie 2§3,
Polyolefin-, Polyester-,
Celluloseester- oder Zweiphasen-Fasern besteht. Die Filter können nach an sich bekannten
Verfahren aus einem gekräuselten Textilstrang hergestellt werden. Das Filter kann
auch aus Papier bestehen. Selbstverständlich kann das Filter aus aus jedem anderen
bekannten Filtermaterial bestehen, das verformt werden kann. Die Filter können auch
in Form von dualen Filtern hergestellt werden, in denen ein Segment des Filters
eine sich über die gesamte Länge des Filters erstreckende Rille oder ein sich durch
sein Zentrum erstreckendes Loch aufweist, während es sich bei dem zweiten Abschnitt
des dualen Filters einfach um ein zylindrisches Segment handelt, wobei beide Segmente
dann auf übliche Weise zusammengefügt werden.
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In den beiliegenden Zeichnungen sind Filterelemente dargestellt, die
aus einem Filtermaterial bestehen, das zu einem zylindrischen Stab oder Filterkörper
verformt worden ist, der mittels einer Vorrichtung bearbeitet wird, die entweder
die Rille, eine Vielzahl von Rillen, ein einziges axiales Loch, eine Vielzahl von
axialen Löchern oder ein oder mehrere schräge Löcher erzeugt. Es ist klar, daß jedes
verwendete Filterelement oder jeder verwendete Filterkörper mit einer äußeren Umhüllung
versehen ist, welche die äußere Wandoberfläche des Filterkörpers umschließt, wodurch
die Öffnungen in der äußeren Wand, an der sich entlang die Rille oder die Vertiefungen
erstrecken, verschlossen werden. Der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung
diese äussere Hülle nicht mehr enjähnt.
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Das in der Fig. 1 dargestellte Tabakraiichfilterelernent 10 besteht
aus einem porösen Filterkörper 12, der zusammen mit einer äusseren Umhüllung verwendet
werden kann. Wie oben angegeben, kann es sich bei dem Material des porösen Filterkörpers
um einen gekräuselten
Textilstrang, Papier oder ein anderes bekanntes
Filtermaterial handeln, das leicht in die gewünschte Form gebracht werden kann.
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Der poröse Filterkörper 12 weist eine äußere Seitenwand 14 und zwei9irnWände
20 und 22 auf. Der poröse Filterkörper ist mit einer einzigen länglichen Vertiefung
oder Rille 24 versehen. Die Rille ist durch den Filterkörper begrenzt und erstreckt
sich von der Oberfläche der äußeren Wand 14 in den Filterkörper hinein über mindestens
ein Drittel der Länge desselben, jedoch über weniger als die volle Länge des Filterkörpers
hinweg. Es ist klar, daß die Rille auch zwischen den beiden Stirnwänden des Filterkdrpers
angeordnet sein könnte.
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Die relativen Durchlässigkeiten der parallelen Rauchdurchströmungswege
eines Filters des vorstehend beschriebenen Typs wurden anhand von Druckabfallmessungen
wie folgt bestimmt: Die Durchlässigkeit (k) ist umgekehrt proportional zum Druckabfall
(#P), wenn der volumetrische Strömungsdurchfluss konstant ist.
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Damit gilt kt I C , kl - C und k2 " C . Das getestete Filter #P5 #P1
#P2 bestand aus einem 8 % Triacetin enthaltenden Celluloseacetatstrang von 1,6 Den/Faden
bei einem Gesamtdenier von 52 000. Das Filter war 25 mm lang und mit einer 20 mm
langen und 1 mm tiefen Vertiefung versehen, die von einer Stirnwand des Filters
ausging.
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Der für das Filter gemessene Druckabfall war folgender: - æ 6,6 cm
(2,6 inthes) und APl = 9,9 cm (3,9 inches).
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bPt wurde auf übliche Weisc bei einer volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit
von 17,5 ml/Sek. gemessen. PI wurde nach dem Auffüllen der Vertiefung mit einem
Dextrinleim, der den Durchgang
für den Rauchstrom undurchlässig
machte, bei 17,5 ml/Sek. gemessen. Demzufolge stellt AP1 den Druckabfall (bei 17,5
ml/Sek.
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Strömungsgeschwindigkeit) des Weges dar, der den Hauptkörperanteil
des Filters ausmachte. Dabei wurden gemessen: C kt = = 0,385 C, k1 = C 6,6 cm (2,6
inches) @@ @@ (3@@ inches 0,256 C und k2 = C - C -6,6 cm (2,6 inches) 9,9 cm (3,9
inches) 0,129 C.
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Der Bruchteil des Rauches, der den Hauptkörper des Filters durchquerte,
betrug 0,256 C " 0,665, während der Bruchteil des Rau-0,129 C ches, der den porösen
Abschnitt durchquerte, betrug = 0,385 C 0,335. Die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit
durch den Hauptkörper des Filters betrug 0,665 . 17,5 ml/Sek. - 11,6 ml/Sek.; da
dieser Abschnitt etwa 95 % des gesamten Filtervolumens ausmachte (1,25 ml/2,5 cm
Länge), betrug die lineare Strömungsge-100 2,5 cm schwindigkeit durch diesen Abschnitt
# # 11,6 ml/Sek. = 95 1,25 ml 24,4 cm/Sek. Die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit
durch den porösen Abschnitt betrug 0,335 # 17,5 ml/Sek. = 5,86 ml/Sek. Der poröse
Abschnitt stellte die restlichen 5 % des gesamten Filter-100 volumens dar. Dahre
betrug die lineare Geschwindigkeit # 2,5 cm # 5,86 ml/Sek. = 195 cm/Sek. Die lineare
Strömungsgeschwin-1,25 ml 2,5 cm digkeit durch ein übliches Filter betrug # 17,5
ml/Sek. = 12,5 ml 35 cm/Sek.
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Wie bereits weiter oben angegeben, soilLe die Durchlässigkeit des.
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Abschnitts oder der Zone des Filters mit der geringeren Durchlässigkeit
so groß sein, daß mindestens ein Drittel des Rauches diesen
bzw.
diese mit einer linearen Geschwindigkeit durchströmt, die um mindestens 20 % unterhalb
der in dem Filter auftretenden durchschnittlichen Geschwindigkeit liegt. Die durchschnittliche
lineare Geschwindigkeit des Rauches durch das untersuchte spezielle Filter betrug
32,93 cm/Sek. (0,95 24,4 cm/Sek. + 0,05 195 cm/Sek. 9 32,93 cm/Sek.). Etwa zwei
Drittel des Rauches (0,665), die durch den Abschnitt oder die Zone mit der geringeren
Durchlässigkeit (den Hauptkröperabschnitt) strömten, strömten mit einer linearen
Geschwindigkeit von 24,4 cm/Sek., die um 25,7X 32,93 cm/Sek. - 24,4 cm/Sek. 100
= 25 7%) @@@@@@@@ @@@ @@@ '32,93 cm/Sek.
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die durchschnittliche lineare Strömungsgeschwindigkeit des Rauches
durch das gesamte Filter.
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In der Fig. 2 ist ein einziger Filterstab 30 erläutert, in dem Linien
32, 34 und 36 angegeben sind, an denen der Filterstab zur Herstellung von vier Filtersegmenten
durchschnitten werden kann.
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Darin ist auch eine Eindrückeinrichtung (Einkerbungseinrichtung) 38
dargestellt, die eine Klinge 39 mit Vorsprüngen 40, 42 und 44 aufweist, die so geformt
sind, daß sie Rillen 20 der gewünschten Gestalt oder Konfiguration in den Filterstab
eindrücken. -Die in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellten Filterelemente erläutern andere
Ausführungsformen der Erfindung. In der Fig. 3 ist ein ZigarettenfIltercleent 46
dargestellX, das vier in gleichem Abstand voneinander angeordnete Rillen 50 aufweist,
die in einem Ende desselben gebildet worden sind. In der Fig. 4 ist ein Filter 52
mit einer kontinuierlichen Rille 54 dargestellt, die an einer Stirnwand 56 bcginnt,
sich über mindestens ein Drittel der Länge des Filters erstreckt, ihre Richtung
umkehrt und zurückkehrt und durch die gleiche Stirnwand das Filter wieder verläßt.
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In der Fig. 5 ist ein Filterkörper 58 mit einer gekrUmmten Rille 60
dargestellt, welche die gleiche Funktion erfüllt wie die in bezug
auf
die Fig. 1 beschriebene Rille.
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In der Fig. 6 ist ein Filterelement 62 dargestellt, das eine einzige
Längsrille 64aufweist, die sich über die volle Länge des Filterkörpers hinweg erstreckt.
Diese Rille ist mit einem groben Material 66 gefüllt, das eine höhere Porosität
als das Material, das den Rest des Filters aufbaut. Natürlich könnte dies auch dadurch
erzielt werden, daß zum Füllen der Rille ein Füllmaterial mit einem hohen Denierwert
pro Faden und zur Herstellung des Filterelements ein Material mit einem niedrigen
Denierwert pro Faden verwendet wird.
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Das in der Fig. 7 dargestellte Filterelement 70 ist mit einem axialen
Loch 72 versehen, das in dem Zentrum einer Stirnwand 74 beginnt und sich teilweise
durch das Filterelement entlang seiner Längsachse erstreckt.
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Die Fig. 8 zeigt einen Filterstab 75, aus dem zwei Zigarettenfilter
hergestellt werden können. Der Stab ist in einer Hülle oder Hzltevorrichtuno 76
dargestellt, die eine Bewegung und eine Ausdehnung des Filterkörpers verhindert,
wenn die an jedem Ende des Stabes aneegebenen Stifte (mittels cicr nicht dargestellten
Einrichtung) in den Stab eiii<:ringen und maxiale Löcher in dem Filterstab erzeugen.
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In der Fig. 9 ist ein Filterkörper 84 mit vier kleinen Löchern 80
dargestellt, die in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind und alte von der
gleichen Stirnwand 82 ausgehen und sich parallel zur Längsachse des Filterkörpers
erstrecken.
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In der Fig. 10 ist ein Filterstab 86 dargestellt, der sich in
einer
Haltevorrichtung oder Hülle 88 aus den gleichen Gründen wie unter Bezugnahme auf
die Fig. 3 beschrieben befindet. Außerdem sind vier Stiftelemente angegeben, die
zur Herstellung von axialen Löchern in den Enden des Zigarettenfilterstabes 36 verwendet
werden. Wie durch gestrichelte Linien (in der Nähe des Zentrums des Stabes) angedeutet,
könnte der Stab zu zwei getrennten ZigarettenfilterelemenLen zerschnitten werden.
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Die Fig. 11 zeigt ein anderes Zigarettenfilter 90, dessen eine Stirnwand
92 zwei Löcher aufweist, die sich etwa über die Hälfte der Länge des Filters erstrecken.
Diese beiden Löcher 94, 94 konvergieren zueinander, wenn sie sich durch den Filterkörper
erstrecken.
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Die Fig. 12 zeigt einen Filterstab 96, der, wie durch gestrichelte
Linien in gleichen Abständen entlang der Länge des Filterstabes angedeutet, in vier
einzelne Filterelemente zerschnitten werden kann. Der Stab ist von einer Halteeinrichtung
97 umgeben. Die Halteinriclltung ist mit schrägen Löchern 98 entlang ihrer Länge
versehen, so daß Stifte 100 in Kontakt mit einem Teil des Filterstabes in der Halteeinrichtung
gebracht und durch einen Teil des Filterstabes geführt werden können.
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Vorstehend wurden einige ste-schiedene Konstruktionen und Konfigurationen
von erfindungsgernäßen Zigarettenfilterelementen beschrieben, es sei jedoch darauf
hingewiesen, daß erfindungsgemäß auch viele andere Konfigurationen oder Konstruktionen
verwendet werden können.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Filters kann anhand des in
der Fig. l dargestellten Filterelementes beschrieben werden.
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Es wird angenommen, daß der l?auchstrom in der Hauptachse des Filters
praktisch praallel ist. tin Teil des rauches strömt durch den Hohlraum oder die
Vertiefung und durch den kurzen Abschnitt de£: Filtermatrix. in anderer Teil des
Rauches strömt durch die volle Länge des Filters. Wegen des Hohlraumes setzt der
obere Weg dem Rauchstrom einen geringeren Widerstand entgegen als der untere Weg.
Infolgedessen ist die Geschwindigkeit des Rauches in dem AbschrjJ-tU, der den Hohlraum
aufweist, höher als in üblichen ZigarettenfilLern und niedriger in dem Abschnitt,
der keine Vertiefung aufweist. Die erhöhte RXauchgeschwindigkeit hat, wie angenommen
wird, nur einen geringen Effekt auf die Filterwirksamkeit innerhalb des hochporösen
Abschnittes, während der Filtrationswirkungsgrad weitgehend durch die geringere
Geschwindigkeit des unteren Abschnittes verbessert wird. Der Gesamteffekt ist eine
beträchtlich höhere TPM-Entfernung als sie bei üblichen Filtern mit dem gleichen
Zugwiderstand erzielt werden kann. Die Anzahl und Form der Rillen, Vertiefungen
oder Hohlräume kann innerhalb eines breiten Bereiches variiert werden, wie das die
Fig. 3, 4 und 5 sowie die Fig. 7, 9 und 11 zeigen.
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Es wurde nun gefunden, daß die Länge der Rillen oder axialen Löcher
mindestensein Drittel der Länge des Filters betragen sollsie tc und daß/ein Ende
jeder Rille oder jedes Loches mindestens 3 mm von dem Ende des Filters entfernt
sein sollte. Die Länge und Größe der Rillen oder Löcher hängen von dem zur Herstellung
des Filters verwendeten Material ab. Der Aufbau dieser Filter kann so gestaltet
werden, daß in einer Hochgeschwindigkeitsfilterherstellungsvorrichtung, wie sie
derzeit in Gebrauch ist, hergestellt werden können. Dabei werden beispielsweise
übliche Filterstäbe,
die aus einem Textilstrang bestehen, durch
eine Vorrichtung geführt, die den Strang zerschneidet, presst oder stanzt unter
Bildung von Hohlräumen oder Rillen. Es kann aber auch ein hochporöses Material mit
dem Textilst-rang kombiniert werden und die Mischung kann nach Verfahren, wie sie
derzeit zur Herstellung von Zigarettenfiltern angewendet werden, zu einem Zigarettenfilter
verformt werden. Das poröse Material, das, wie in Fig. 6 dargestellt, die Rille
in dem Filter ausfüllt, erstreckt sich über die gesamte Länge des Filterelementes
und dabei kann es sich um irgendein Material handeln, das eine höhere Porosität
aufweist als die Hauptfiltermatrix. Beispielsweise kann ein offenzelliger Schaum
verwendet werden. Besonders geeignet ist ein gekräuselter Textilstrang, in dem die
Fasern einen größeren Durchmesser haben als die Fasern, die zur Herstellung des
Hauptteils des Filters verwendet werden.
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Zur Erzeugung der Kammern oder Löcher für drei oder mehrere Filterelemente
in einem üblichen Stab ist ein Formungsarbeitsgang, wie er in der Fig. 12 dargestellt
ist, erforderlich. Zuerst werden die üblichen Filterstäbe mit Löchern versehen und
dann werden einzelne Filterelemente von den Stäben abgeschnitten. Die Löcher werden
in einem solchen Winkel zu der Achse des Filters angebracht, daß der Formungsstift
von dem Umfang des Stabes her anstatt parallel zur Achse eindringt. Es ist zweckmäßig,
daß'die Löcher die Stirnwand des Filterelementes durchbohren, die an die Tabaksäule
angrenzt. Die künstlichen Löcher in dem Umfang werden mit der Mundstückumhüllung
verschlossen, die in der Zigarettenherstellungsvorrichtung auf gebracht wird.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Filterelementes mit einem
einzigen
axialen Loch besteht beispielsweise darin, daß man gehärtete Stäbe aus einem üblichen
Stöpselhersteller entnimmt, sie in Zwei-Element-Segmente zerschneidet, diese, wie
in Fig. 8 ange- -geben, mit axialen Löchern versieht, dann die Zwei-Element-Segmente
für die Verwendung in einer Vorrichtung zum Aufbringen und Befestigen des Zigarettenmundstücks
wieder vereinigt. Dieses Verfahren stellt eine weitere Stufe bei der Herstellung
der Zigaretten dar. Eine modifizierte Form des gleichen Aufbaus stellen die Filterelemente
der Fig. 9 dar. Die Einheit und runde Form des Filters werden beibehalten, da die
Oberfläche der äußeren Umhüllung des Filters nicht oder nur geringfügig verändert
wird. Die beim Aufbringen des Zigarettenmundstücks aufgebrachte Papierumhüllung
ist eine Versiegelungseinrichtung für irgendwelche kleinen äusseren Löcher in der
Umfangsoberfläche des Filters. Auf diese Weise entsteht ein Filter, das sich fest
anfühlt und ein gutes Aussehen hat.
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Da die Mehrzahl der Zigarettenfilter aus einem in der Wärme verb formbaren
Material, Celluloseacetat, hergestellt wird, besteht der bequemste Weg zur Erzeugung
der Löcher darin; einen scharfen, erhitzten Stift zu verwenden, der zuerst ein Loch
in das Filter bohrt, dann ausreichend lange in dem Filter verbleibt, um das Loch
zu formen, und dann wieder herausgezogen wird. Bei diesem Verfahren kann es sich
um ein diskontinuierliches Verfahren handein, bei dem Filterstnbe verwendet werden,
die vorher mittels einer üblichen FilterstabhersLellungsvorrichtung auf die richtige
Länge zugeschnitten worden sind. Die Filterstäbe werden in eine Vorrichtung eingeführt,
in welcher die Stäbe auf übliche Weise geformt werden, dann werden sie gesammelt
und in eine Zigarettenfilterherstellungsvorriciitung eingeführt.
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Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1 Von üblichen Zigarettenfilterstäben aus einem 10 7. Triacetin
enthaltenden Cellitseacetatstrang mit 1,6 Den/Faden und einem Gesamte denierwert
von 52 000 wurde die Papierhülle abgezogen. Die Stäbe wurden in 25 mm lange Filtermundstücke
zerschnitten. In dem Umfang jedes Filters wunde eine 1 mm tiefe und 20 mm lange
Vertiefung erzeugt. Die Hauptachse der Vertiefung war praktisch parållel zur Hauptachse
des Filters und ein Ende der Vertiefung erstreckte sich bis zu dem Ende des Filters.
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Eine Gruppe von Filterzigaretten (einer bekannten Marke mit einer
Länge von 100 mm) wurde in zwei Portionen aufgeteilt. Bei der einen Portion wurden
die Filter entfernt und an den Tabaksäulen wurden die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Filter befestigt. Beide Zigarett enportionen wurden mit einer automatipchen Rauchvorrichtung
abgeraucht und die Filter wurden nach dem in "Tobacco Science",4, Seiten 51 bis
61 (1960), beschriebenen Verfahren auf ihre Filtrationswirksamkeit hin untersucht.
Die erfindungsgemäßen Filter wiesen einen Druckabfall von 6,6 cm (2,6 inches) auf
und sie entfernten 50 % des TYPS, während die handelsüblichen Filter einen Druckabfall
von 7,1 cm (2,8 inches) aufwiesen und 38 % TPM entfernten.
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Beispiel 2 Das Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei diesmal das Filter
aus einem Celluloseacetatstrang mit 1,6 Den/Faden und einem Gesamte denier von 59
000 bestand. Das Filter enthielt zwei parallele Vertiefungen, die jeweils 20 tmn
lang waren und an dem gleichen
Ende des Filters begannen. Diese
Filter entfernten 50 X TPM bei einem Druckabfall von 6,35 cm (2,5 inches).
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Beispiel 3 Von üblichen Zigarettenfilterstäben, die aus einem 10 Z
Triacetin enthaltenden Celluloseacetatstrang mit 1,6 Den/Faden und einem Gesamtdenier
von 52 000 hergestellt waren, wurden die Papierumhüllungen abgezogen. Die Stäbe
wo den in 20 mm lange Filterirnindstücke zerschnitten. In den Umfang jedes Filters
wurde eine 1 tin tiefe und 15 mm lange Vertiefung eingedrückt. Die Hauptachse der
Vertiefungen war praktisch parallel zur Hauptachse des Filters und ein Ende der
Vertiefungen erstreckte sich bis zu dem Ende des Filters.
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Eine Gruppe von Filterzigaretten (einer bekannten Marke King-Size-Zigaretten)
wurde in zwei Portionen aufgeteilt. Bei einer Portion wurden die Filter entfernt
und an den Tabaksäulen wurden die weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Filter
befestigt. Beide Zigarettenportionen wurden mit einer automatischen Abrauchvorrichtung
abgeraucht und nach dem von C.L. Ogg in "JAOCA", 47, Seite 358 (1964), beschriebenen
Verfahren wurden die in jedem Zigaretten-Typ erzeugten Mengen an TPM und Nikton
bestimmt.
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Die käuflichen Filterzigaretten lieferten pro Zigarette 19,4 mg TPM
und 1,44 mg Nikoton. Die Zigaretten, die das erfindungsgemäße Filter enthielten,
lieferten pro Zigarette 15,3 mg TPM und 1,19 mg Nikotin. Der Druckabfall oder der
Zugwiderstand für die beiden Zigarettenportionen war praktisch gleich.
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Beispiel 4 Von üblichen Zigarettenfilterstäben aus einem 10 Z Triacetin
enthaltenden Celluloseacetatstrang mit 1,6 Den/Faden und einem Gesamtdenier von
52 000 wurden die Papierhüllen entfernt. Die Stäbe wurden in 25 mm lange Filtermundstücke
zerschnitten. Das Filtermundstück wurde mit einer 1 mm tiefen Vertiefung mit der
in der Fig. 4 angegebenen Gestalt versehen. Beim Test, der wie in Beispiel 1 durchgeführt
wurde, entfernten die Filter bei einem Druckabfall von 6,1 cm (2,4 inches) Wasser
48 X TPM.
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Beispiel 5 Von üblichen Zigarettenfilterstäben aus einem 10 % Triacetin
enthaltenden Celluloseacetatstrang mit 1,6 Den/Faden und einem Gesamtdenier von
52 000 wurden die Papierhüllen entfernt. Die Stäbe wurden in 5 mm und 15 mm lange
Segmente zerschnitten. In den Umfang der 15 mm langen Segmente wurde über die gesamte
Länge des Segments eine 1 mm tiefe Vertiefung eingepreßt. Die 5 mm und.l5 mm langen
Segmente wurden zur Herstellung eines 20 mm Filters mit den Enden sneinander-gelegt
und umhüllt. Das 5 mm-Segment stellte das Mundendstück des Filters dar. Wenn diese
filter auf 65 mm-Tabaksäulm wie in Beispiel 3 befestigt und wie in Beispiel 1 getestet
wurden, entfernten sie bei einem Druckabfall von 7,62 cm (3 inches) Wasser 48 %
TPM.
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Beispiel 6 Ein auf übliche Weise aus einem 8 Z Triacetin als Weichmacher
enthaltenden Celluloseacetatstrang mit 1,6 Den/Faden und einem Gesamtdenier von
66 000 hergestellxt Zigarettenfilterstab wurde in 20 mm lange Filterkörper zerschnitten.
5 parallele Löcher mit
einem Durchmesser von 0,114 cm (0,045 inches)
wurden. axial von einem Ende her etwa 15 mm tief mittels eines erhitzten Stiftes
in den Filterkörper gebohrt, wobei ein Loch in der Achse lag und die anderen vier
Löcher sich in einem gleichen Abstand af einem konzentrischen Kreis mit einem Durchmesser
von 10 fl -die Achse des Filterkörpers herum befanden. Das Filter wurde auf einer
üblichen Tabaksäule befestigt und die Zigarette wurde mit einer mechanischen Abrauchvorrichtung
abgeraucht. Das Filter wies einen Druckabfall am Mundstück von 6,6 cm (2,6 inches)
Wasser auf. Die TPM-Entfernung betrug 48 Z.
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Beispiel 7 Ein auf übliche Weise aus einem 8 % Triacetin als Weichmacher
enthaltenden Celluloseacetatstrang mit 1,6 Den/Faden und einem Gesamtdenier von
66 000 hergestellter Zigarettenfilterstab wurde in 25 mm lange Filterkörper zerschnitten.
Mit einem erhitzten Stift wurde ein einziges Loch (Durchmesser 0,239 cm (0,094 inches))
axial von einem Ende her etwa 20 mm tief in den Filterkörper gebohrt, wobei das
Loch in der Längsachse des Filters lag.
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Das Filter wurde auf einer üblichen TabakseRule befestigt und die
auf diese Weise erhaltene Zigarette wurde mit einer mechanischen Abrauchvorrichtung
abgeraucht. Das Filter wies einen Druckabfall am Mundstück von 6,35 cm (2,5 inches)
Wasser auf. Die TPM-Entfernung betrug 49 Z.